Early Observation of t-Quarks in Single-Leptonic t¯t Decays at CMS

Abstract

Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit mit den ersten O(10 pb−1) aufgezeichneter Daten des CMS
Experiments ein signi�kantes Top-Quark Signal zu extrahieren und den Wirkungsquerschnitt zu messen.
Aufgrund des groÿen Wirkungsquerschnitts und der charakteristischen experimentellen Signatur
des Single Muon Zerfallkanals (ein isoliertes Muon und vier Jets) wird diese Messung unter den ersten
Zielsetzungen des CMS Experiments sein, sowohl aus physikalischen Gründen wie auch um die korrekte
Funktionsweise des Detektors zu überprüfen. Aus physikalischer Sicht ist es wichtig, die Standardmodelvorhersage
des Wirkungsquerschnitts zu bestätigen. Diese ist zudem für die Suche nach Higgs-Bosonen
wichtig, da dort t¯t Produktion ein Untergrund ist. Zudem kann, mit Hilfe einer durch Signal angereicherte
Datenprobe, die invariante Masse des hadronisch zerfallendenW-Bosons bestimmt werden und dadurch
die auf Monte Carlo Simulationen basierende Jet Energieskala korrigiert werden.
Da in der Anfangszeit der Datennahme das Verständniss des CMS Detektors beschränkt sein wird,
sollte die Analyse nur einfache rekonstruierte Gröÿen verwenden. Die gröÿten Fehlerquellen werden die
Jet-Energieskala, die Anfangsbedingungen des Detektors (Ausrichtung der Spurkammer und Fehleichung
des Kalorimeters) sowie Untergundereignisse, deren Anzahl von den anfänglichen LHC Parametern abh
ängen wird , sein. Aufgrund des hohen t¯t Produkionswirkungsqueschnitts werden die systematischen
Fehler die statistischen Fehler schon bald nach Inbetriebnahme des LHC übertre�en. Deshalb ist es
für eine frühe Messung unerlässlich diese E�ekte zu untersuchen. Solche Studien können durchgeführt
werden, indem man verschiedene Monte Carlo Stichproben, ausgehend von den gleichen Generator Level
Ereignissen, erstellt, die einmal den zu untersuchenden Detektor-E�ekt beinhalten und einmal nicht. Zur
Untersuchung verschiedener systematischer E�ekte müssen also mehrere solcher Monte-Carlo Stichproben
erstellt werden. Dies war nur mit Hilfe einer Fast Simulation Software für das CMS Experiment möglich,
welche jedoch , zum Zeitpunkt des Beginns dieser Arbeit, noch nicht kompatibel mit der Analyse-Software
der Top-Quark-Physikgruppe war. Daraus folgend war der erste Schritt, eine Schnittstelle zwischen der
Analyse-Software und der Fast Simulation zu entwickeln, eine Aufgabe die nicht nur dieser Arbeit zugute
kam, sondern auch Top-Quark Messungen in anderen Kanälen. Des Weiteren wurden im Rahmen dieser
Arbeit die Detektor Anfangskon�guration in der Fast Simulation implementiert. Im Anschluss daran,
wurden alle in dieser Analyse verwendeten Stichproben auf lokalen Computern am CERN produziert.
Nachdem lösen dieser technischen Probleme richtete sich das Augenmerk auf die De�nition einer
Selektionsstrategie welche die Auswahl einer möglichst reinen Probe an t¯t ! W−(! μ�)bW+(! q¯q0)¯b
Ereignissen sicherstellt. Hierbei gab es zwei Schritte, zuerst wurde ein e�zienter Weg gesucht, mit der der
Untergrund gegenüber der physikalischen Prozess von Interesse unterdrückt werden kann. Dabei wurde
jeder der Haupt-Untergrundprozesse (W-Boson und QCD Multijet sowie SingleTop Ereignisse) einzeln
untersucht und unterschiedliche Kontrollmethoden entwickelt. Nun wurden verschiedene Möglichkeiten
die rekonstruierten Jets eines Ereignisses mit den Endzustands Teilchen zu assoziieren evaluiert. Dies
ist nötig, um die drei Jets des hadronischen Top-Quark Zerfalls zu bestimmen und die invariante Masse
zu rekonstruieren. Eine Reihe verschiedener Möglichkeiten wurde in Betracht gezogen und systematisch
verglichen. Hierbei wurde festgestellt, dass die De�nition bestimmter Jet-Parton Paarungen nicht nur
den kombinatorischen Untergrund reduzieren, sondern ebenfalls den W-Boson, QCD und Single Top
Untergrund, was zu einer Reinheit von bis zu 72% führen kann.
Mit einer Stichprobe mit einem hohen Reinheitsgrad wurde die Möglichkeit einer frühen "Wiederentdeckung"
des Top-Quarks untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass mit den ersten O(10pb−1) integrierter
Luminosität tatsächlich ein signi�kantes Signal (5�) extrahiert werden kann. Drei verschiedene
Möglichkeiten den t¯t Produktions-Wirkungsquerschnitt zu messen wurden untersucht. Bei der Ersten
handelt es sich um eine einfache Ereignis-Zählung, bei der überschüssige beobachtete Ereignisse dem Signal
zugerechnet werden. Die anderen beiden Methoden verwenden einen Maximum Likelihood Fit der
invarianten Topmasse und der Jet Multiplizität, welche aus Monte Carlo Simulationen bestimmt werden.
Das beste Resultat liefert der Fit der Jet Multiplizität, die statistische Ungenauigkeit beträgt 11%
und die systematische Ungenauigkeit 33%, wobei die Hauptquelle der systematischen Ungenauigkeit in
der Jet Energieskala ist. Es ist möglich, diese Ungenauigkeit auf Kosten der statistischen Genauigkeit
zu reduzieren. In beiden Fällen ist es nach den ersten O(10pb−1) wichtiger, die Ungenauigkeit der Jet
Energieskala zu reduzieren, als die statistische Ungenauigkeit.